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Einrichtung zur Verbesserung der Stromwendung elektrischer Maschinen
Es ist bekannt, für die- Stromzuführung und -abnahme-bei Stromwendern elektrischer
Maschinen geschichtete Bürsten zu verwenden, die aus abwechselnden Schichten von
Kohle und Isoliermaterial zusammengesetzt sind. Die Ebene dieser Schichten liegt
senkrecht zur Bewegungsrichtung des Stromwenders sowie senkrecht zu der Auflagefläche
der Bürsten. Bei diteser Einrichtung liegt der Gedanke zugrunde, den sogenannten
Kurzschlußstrom zwischen den benachbarten, von der Bürste kurzgeschlossenen Lamellen
zu verkleinern, indem man es dem Strom verwehrt, von der auflaufenden Kante der
Bürste quer durch dieselbe hindurch zur ablaufenden Kante zu gelangen. Bei der geschichteten
Bürste muß der Kurzschlußstrom die einzelnen Schichten parallel zur Längsrichtung
der Bürste auf dem Hin- und Rückweg durchlaufen, so daß er einen längeren und widerstandsreicheren
Weg hat als bei der gewöhnlichen, nicht geschichteten Blockbürste. Durch Unterdrückung
dieses sogenannten Kurzschlußstromes soll die Feinschichtbürste eine bessere Stromwendung
bewirken als eine Grobschicht- oder Blockbürste. Die Wirkung wird um so stärker,
je dünner und länger die leitenden Schichten in der Bürste sind. Die beabsichtigte
Wirkung, den Kurzschlußs,trom zu einem großen Umweg zu zwingen, ergibt sich dann,
wenn die leitende Schicht der Bürste die gleiche oder
eine kleinere
Dicke hat als die zwischen den Lamellen des Stromwenders liegende Isolierschicht.
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Diese Betrachtung der Stromwendeverhältnisse auf Grund des Kurzschlußstromes
unter den Bürsten mag in gewissem Maß für die Kurzschlußströme der transformatorischen
EMK bei Wechselstrommaschinen zutreffen, erfaßt aber nicht die tatsächlichen Vorgänge
bei Gleichstrommaschinen. Die Stromwendetheorie für Gleichstrommaschinen geht in
der Regel von der Voraussetzung aus, daß die Stromänderung an den unter der Bürste
liegenden Lamellen maßgebend beeinflußt wird durch den Übergangswiderstand zwischen
der Stromwendelamelle und der Bürste.
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Gemäß Abb. i wird die Auflagefläche der Bürste .4 auf dem Stromwender
von dem isolierenden Zwischenraum C zwischen zwei Lamellen in zwei Teile D und E
geteilt, wovon sich infolge der Bewegung des Stromwenders der Teil D ständig vergrößert,
der Teil E ständig verkleinert. Der sich verkleinernde Teil E liegt in der Nähe
der ablaufenden Bürstenkante F. Wenn nun, wie dies die bekannte Stromwendetheorie
voraussetzt, der Strom, der jede dieser Teilflächen durchfließt, proportional ihrer
Größe ist, dann herrscht auf der ganzen Bürstenauflagefläche die gleiche Stromdichte.
Liegt gerade eine einzige Lamelle unter der Bürste, dann nimmt diese den ganzen
Bürstenstrom auf. Bewegt sich diese Lamelle auf die ablaufende Kante F zu, dann
wird ihre Berührungsfläche E mit der Bürste sich proportional der Zeit verringern.
Ist die Stromdichte konstant, so muß auch der Strom, der in diese Lamelle eintritt,
proportional mit der Zeit, d. h. im gleichen Verhältnis wie die Berührungsfläche
sinken, so daß der Strom gleich Null ist, wenn die Kante dieser Lamelle die ablaufende
Bürstenkante F verläßt. In Abb. a ist durch die Gerade g in Abhängigkeit von der
Zeit die proportionale Abnahme der Berührungsfläche E dargestellt. Etwa der gleichen
Linie müßte die zeitliche Veränderung des in diese Fläche eintretenden Stromes folgen.
Unter diesen Verhältnissen wäre eine einwandfreie und funkenfreie Stromwendung gegeben.
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Tatsächlich verhindert nun die Selbstinduktion der zwischen den beiden
Lamellen liegenden, durch die Bürste kurzgeschlossenen Spule S' eine mit der Zeit
proportionale Stromänderung, da sie jeder Stromänderung entgegenwirkt. Die Änderung
des Stromes wird daher verzögert, etwa wie dies Kurve g' in Abb. :2 zeigt, so daß
der Strom zunächst langsamer als die Berührungsfläche der Lamelle -mit der Bürste
abnimmt und die in der Nähe der ablaufenden Kante F liegende Teilfläche E der Bürste
eine erheblich größere Stromdichte erhält als die anderen Bürstenteile. Bei fast
allen Gleichstrommaschinen werden daher Wendepole verwendet, um dieser Selbstinduktionsspannung
entgegenzuwirken und eine bessere Stromwendung herbeizuführen.
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Die Feinschichtbürste wirkt in gleicher Richtung wie die Wendepole,
da bei ihr der jedem einzelnen Teil der Berührungsfläche zufließende Strom durch
die mit diesem Punkt in Verbindung stehende Schicht hindurchfließen muß. Wenn die
ablaufende Kante stärker belastet ist als die übrigen Bürstenteile, so werden auch
die letzten Schichten der Bürste stärker belastet sein und einen größeren Spannungsabfall
in der Längsrichtung der Bürste hervorrufen als die weiter nach vorn liegenden Schichten.
Hierdurch wird der Strom in gewissem Maß von der ablaufenden Bürstenkante wegg°drängt.
Diese Wirkung der Feinschichtbürste kommt jedoch nur ungenügend zur Geltung, weil
der Spannungsabfall in den Schichten keineswegs genügt, um die Wirkungen der Selbstinduktion
auszugleichen, so daß also doch eine Überlastung der letzten Bürstenschichten bestehenbleibt,
die zu einer unzulässigen Erhitzung im Betrieb führt. Bei den gebräuchlichen Blockbürsten
drängen sich die Stromlinien nur im untersten Teil der Bürste zusammen, so daß sie
sich weniger erhitzt als die Feinschichtbürste. Es kommt dazu, daß die Feinschichtbürste
im Gegensatz zu einer Blockbürste gleichen Querschnitts teilweise aus Isolierschichten
besteht, die an der Stromleitung nicht beteiligt sind, so daß die tatsächliche Stromdichte
in einer Feinschichtbürste auf alle Fälle größer ist als in einer Blockbürste gleichen
Querschnitts. Diese Schwierigkeiten stehen der Einführung der Feinschichtbürsten
im praktischen Betrieb hindernd entgegen. .
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Nach der Erfindung werden diese Nachteile dadurch beseitigt, daß nur
die ablaufende Seite des Bürstensatzes aus einer Feinschichtbürste, deren Schichten
die gleiche oder eine geringere Dicke haben, als die zwischen den Lamellen des Stromwenders
liegende Isolierschicht hat, gebildet ist, während der übrige Teil aus Blockbürsten
oder Grobschichtbürsten besteht (Abb. 3). Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis,
daß es nur in der Nähe der ablaufenden Kante wichtig ist, die Wirkung der feingeschichteten
Bürste zu erzielen, während ihre Wirkungen in der Nähe der auflaufenden Kante und
auch in der Mitte der Bürsten entbehrlich sind. `'Wenngleich hierdurch eine gewisse
Verschlechterung der durch die Feinschichtbürste erzielbaren Wirkung hervorgerufen
wird, so hat doch die Einrichtung nach der
Erfindung den Vorteil,
daß auf dem größten Teil des Bürstenquerschnittes die Isolierschichten und die damit
verbundene Einengung des Stromweges. wegfallen. Eingehende Berechnungen haben ergeben,
daß es auf diesem Wege möglich isst, die eingangs beschriebene Wirkung der Feinschichtbürste
auf die Stromwendung zu erzielen, ohne dabei die nachteilige Überhitzung der Bürste
in Kauf nehmen zu müssen.
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Es besteht nun entweder die Möglichkeit, die Feinschicht- und Blockbürsten
nach der Erfindung in einem aus mehreren Teilen zusammengesetzten Bürstensatz zu
vereinigen, wobei die einzelnen Teile so gestaffelt werden, daß die Feinschichtbürsten
die ablaufende Kante des Bürstensatzes bilden. Es besteht andererseits die Möglichkeit,
Feinschicht- und Grobschicht- bzw. Blockbürsten mechanisch miteinander zu einer
einheitlichen Bürste zu vereinen.
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Bei Maschinen mit verschiedener Drehrichtung wechseln die ablaufenden
Kanten des Bürstensatzes. Zur Anwendung der Erfindung müßten die Bürsten bei jedem
Drehrichtungswechsel herumgedreht werden. Statt dessen können nach der weiteren
Erfindung bei Maschinen mit Drehrichtungswechsel auf beiden Seiten der Blockbürsten
oder Grobschichtbürsten Feinschichtbürsten angeordnet werden. Dies beruht auf der
Erkenntnis, daß die Verhältnisse an der auflaufenden Kante der Bürste für die Stromwendung
praktisch bedeutungslos sind, so daß an dieser Stelle unbedenklich Maßnahmen getroffen
werden können, die grundsätzlich der richtigen Steuerung der Stromverteilung zuwiderlaufen.
Praktisch erreicht man jedoch damit, daß die Vorteile der Erfindung ohne ein Umwechseln
der Bürsten für Maschinen mit wechselnder Drehrichtung nutzbar gemacht werden können.